JP2010101730A - サーモパイルチップ - Google Patents
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Abstract
【課題】検出したい対象物投影エリア形状に対応したメンブレン形状を有するサーモパイルセンサ型赤外線検出器の提供。
【解決手段】異なる二種の電極材で構成された熱電対をメンブレン上に温接点、ヒートシンク上に冷接点となるように配置し、その熱電対を直列に接続し、その上に絶縁保護膜を設けたサーモパイルチップに於いて、ドライエッチング工法によりダイアフラム加工を行う際、正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状以外の多角形形状にてメンブレンを形成する。
【選択図】図１
【解決手段】異なる二種の電極材で構成された熱電対をメンブレン上に温接点、ヒートシンク上に冷接点となるように配置し、その熱電対を直列に接続し、その上に絶縁保護膜を設けたサーモパイルチップに於いて、ドライエッチング工法によりダイアフラム加工を行う際、正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状以外の多角形形状にてメンブレンを形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、物体の赤外線を電気信号に変換し検出する検出域を有するサーモパイルチップに関する。
サーモパイルチップは、異なる二種の電極材で構成された熱電対でメンブレン上に温接点を形成し、ヒートシンク部上に冷接点を形成し、熱電対、冷接点及び温接点上に絶縁保護膜を設けたチップ構成となっている。
検出域となる温接点部位に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧を生じる為、赤外線量に応じた出力の測定が可能となる。また、この電圧は、熱電対本数、ヒートシンク端からの温接点部距離の寄与を受けこれらが大になると電圧も大となる。
検出域となる温接点部位に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧を生じる為、赤外線量に応じた出力の測定が可能となる。また、この電圧は、熱電対本数、ヒートシンク端からの温接点部距離の寄与を受けこれらが大になると電圧も大となる。
サーモパイルチップは例えばＴＯ−５等のステムにエポキシ系接着剤等でダイボンディングされ、ステムに設けられたリードとチップヒートシンク部に設けたコンタクトパッド等をボンディングワイヤーで電気的結線後、ステムと入射窓を設けた缶とを溶接される。これにより、赤外線量に比例した電圧を出力するサーモパイルが完成する。
サーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状は、ドライエッチング工法によりエッチングされたダイアフラム加工によって提供され、その形状は正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状にて提供されている。
特願２００５―１４０２４号
サーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状は、ドライエッチング工法によりエッチングされたダイアフラム加工によって提供され、その形状は正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状にて提供されている。
従来の手法では、サーモパイルセンサ型赤外線検出器に於いて、検出したい対象物投影エリア形状を設計する際、光学系設計及びサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状により狙いの対象物投影エリア形状を提供している。しかしながら、検出したい対象物投影エリア形状が、例えば三角形状であるときには検出したい対象物投影エリア形状を提供することが困難となっている。
図５に従来のサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状が正方形の四角形状にて提供されるサーモパイル型赤外線検出装置のサーモパイルチップ斜視方向概略図を示す。図６に図５のサーモパイルチップ裏面斜視方向概略図を示す。サーモパイル型赤外線検出器の概略図は図３と同様となる為、省略した。
図７に対象物投影エリア形状概略図を示す。
図５に従来のサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状が正方形の四角形状にて提供されるサーモパイル型赤外線検出装置のサーモパイルチップ斜視方向概略図を示す。図６に図５のサーモパイルチップ裏面斜視方向概略図を示す。サーモパイル型赤外線検出器の概略図は図３と同様となる為、省略した。
図７に対象物投影エリア形状概略図を示す。
本発明は、サーモパイル型赤外線検出器に於ける対象物投影エリア形状の自由度を向上させる為に、サーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状を正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状以外の例えば三角形状及び多角形にて提供する事を特徴としている。このサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状は台形、平行四辺形等の四角形、五角形、六角形等の多角形でもかまわない。
本発明は、サーモパイル型赤外線検出器に於けるサーモパイルチップに於いて、対象物投影エリア形状へ合わせた光学系設計及びサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状の設計を行うことで、検出したい対象物投影エリア形状を形成できる。
本発明は、シリコンフィルター又はシリコン平凸レンズを具備するサーモパイル型赤外線検出器に於いて、例えばサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状が四角形を含む多角形として形成した形態により提供される。
以下実施例により本発明を詳細に説明する。図１は、本発明のもっとも基本的な実施例であり、例えばサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状を三角形状として形成した形態を示すものである。
図１にサーモパイルチップ斜視方向概略図を示す。図２に図１のサーモパイルチップ裏面斜視方向概略図を示す。図３に図１のサーモパイルチップを搭載したサーモパイル型赤外線検出器の斜視方向概略図を示す。図４に対象物投影エリア形状概略図を示す。
図１にサーモパイルチップ斜視方向概略図を示す。図２に図１のサーモパイルチップ裏面斜視方向概略図を示す。図３に図１のサーモパイルチップを搭載したサーモパイル型赤外線検出器の斜視方向概略図を示す。図４に対象物投影エリア形状概略図を示す。
本実施例では、赤外線を受光することにより対象物の放射赤外線量を測定し対象物の温度を検出する事を可能にするサーモパイルチップへの赤外線入射量を対象物投影エリアより設計した赤外線検出領域を光学設計により導くシリコン等からなるフィルターまたは平凸レンズを使用し、赤外線透過窓を有する金属製ＣＡＮケース、サーモパイルチップを電気的接続したリード端子を備えたヘッダーと共に外来からの環境的変化や電磁障害を防止するためにハーメチックシールとした一般的な構造であるサーモパイル型赤外線検出器においてサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状を三角形状にて形成した構造となっている。
また、本実施例ではサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状を三角形状にて形成しているが、例えば、台形、平行四辺形等の四角形、五角形、六角形等の多角形であってもかまわない。
また、本実施例ではサーモパイルチップの熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンの形状を三角形状にて形成しているが、例えば、台形、平行四辺形等の四角形、五角形、六角形等の多角形であってもかまわない。
以下に上記メンブレン作製手順例を示す。
基板材を一例として厚さ０．４ミリメートルのシリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に窒化シリコン等の例えば総厚０．０００２ミリメートルの膜をモノシランガス、アンモニアガス等を使用するＣＶＤ法等により形成する。この膜がメンブレン構成膜となる。
熱電対は例えば一方をニクロム、他方をビスマスアンチモン等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記成膜したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体製造工程手法を使用し、例えばニクロム幅０．００６ミリメートル、ビスマスアンチモン幅０．０１ミリメートル、両者の間隔を０．００７ミリメートルとし、熱電対1組当たりのピッチ幅０．０３ミリメートル、接点長０．０４５ミリメートル、接点幅０．０２３ミリメートルの微細パターンが形成される。露光工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。
さらに、熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚さ０．００２ミリメートルのポリイミド膜を全面コーティング後露光・エッチング等の半導体製造工程手法にて所定形状に加工する。
その後コンタクトパッドとしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用いて設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長０．１２ミリメートル幅０．１ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
基板材を一例として厚さ０．４ミリメートルのシリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に窒化シリコン等の例えば総厚０．０００２ミリメートルの膜をモノシランガス、アンモニアガス等を使用するＣＶＤ法等により形成する。この膜がメンブレン構成膜となる。
熱電対は例えば一方をニクロム、他方をビスマスアンチモン等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記成膜したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体製造工程手法を使用し、例えばニクロム幅０．００６ミリメートル、ビスマスアンチモン幅０．０１ミリメートル、両者の間隔を０．００７ミリメートルとし、熱電対1組当たりのピッチ幅０．０３ミリメートル、接点長０．０４５ミリメートル、接点幅０．０２３ミリメートルの微細パターンが形成される。露光工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。
さらに、熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚さ０．００２ミリメートルのポリイミド膜を全面コーティング後露光・エッチング等の半導体製造工程手法にて所定形状に加工する。
その後コンタクトパッドとしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用いて設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長０．１２ミリメートル幅０．１ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
続いて、シリコンウェハー裏面に露光等の半導体製造工程手法を用いて、例えば三角形等形状の所定のメンブレンサイズと同サイズのフォトレジストパターンを設ける。この工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
次に、ドライエッチング工程一例として例えばＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスを用いて裏面よりシリコンウェハーのシリコンを全てエッチングすると、側面が垂直形状である窒化シリコン等で構成された例えば三角形等形状のメンブレンが形成される。プラズマで活性化したＳＦ６ガスのエッチングは、シリコンエッチングスピードが全方向で同一の等方性エッチングである。プラズマ断とし、ガスをＣ４Ｆ８ガスに切り替えると、ＳＦ６ガスで形成したエッチング穴側面に保護膜が形成される。これらプラズマで活性化したＳＦ６ガスでのエッチング及びＣ４Ｆ８ガスでの保護膜形成を繰り返すと垂直にエッチングされる。尚、三角形形状パターン外側は、予め形成したフォトレジストパターンで保護されているためエッチングされない。これにより、ヒートシンク上に熱電対冷接点が位置し、熱電対温接点がメンブレン上に位置する例えば窒化シリコンの三角形状メンブレンが形成される。
次に、ドライエッチング工程一例として例えばＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスを用いて裏面よりシリコンウェハーのシリコンを全てエッチングすると、側面が垂直形状である窒化シリコン等で構成された例えば三角形等形状のメンブレンが形成される。プラズマで活性化したＳＦ６ガスのエッチングは、シリコンエッチングスピードが全方向で同一の等方性エッチングである。プラズマ断とし、ガスをＣ４Ｆ８ガスに切り替えると、ＳＦ６ガスで形成したエッチング穴側面に保護膜が形成される。これらプラズマで活性化したＳＦ６ガスでのエッチング及びＣ４Ｆ８ガスでの保護膜形成を繰り返すと垂直にエッチングされる。尚、三角形形状パターン外側は、予め形成したフォトレジストパターンで保護されているためエッチングされない。これにより、ヒートシンク上に熱電対冷接点が位置し、熱電対温接点がメンブレン上に位置する例えば窒化シリコンの三角形状メンブレンが形成される。
上述したように、メンブレン形状はシリコンウェハー裏面に形成するフォトレジストパターンを作製するフォトマスクによって定まるものであるので、例えば台形、平行四辺形等の四角形、五角形、六角形等の多角形形状も作製可能である。
サーモパイル型赤外線検出器が温度計測機器に組み込まれる場合、通常各用途に応じて測定対象面から所定高さ位置に、対象面を望む規定された角度で保持使用される。図４は、ある規定設置位置から２ヶの赤外線検出域を有し、投影される検出域となる位置に光学設計配列されたサーモパイルチップを設置した２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器を、所望の赤外線検出域測定面にて対象物投影エリア形状分布を模視した概略図である。
サーモパイル型赤外線検出器が温度計測機器に組み込まれる場合、通常各用途に応じて測定対象面から所定高さ位置に、対象面を望む規定された角度で保持使用される。図４は、ある規定設置位置から２ヶの赤外線検出域を有し、投影される検出域となる位置に光学設計配列されたサーモパイルチップを設置した２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器を、所望の赤外線検出域測定面にて対象物投影エリア形状分布を模視した概略図である。
また、サーモパイル型赤外線検出器として、対象物の放射赤外線量を測定し対象物の温度を検出する事を可能にする前記の２エリア検出のサーモパイルチップのみならず、赤外線を受光する熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを１素子有するシングル型サーモパイル型赤外線検出器、赤外線を受光する熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを複数個ライン状に配列したインライン型のサーモパイルアレイ型赤外線検出器、赤外線を受光する熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンをマトリックス状に配列したマトリックス型のサーモパイルマトリックス型赤外線検出器の温度検出器のように赤外線を受光する熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを１〜１６素子有する多素子型サーモパイル型赤外線検出器に於いても、本発明と同様に対象物投影エリア形状を形成する事が可能となる。
１ 三角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを２つ配置のサーモパイルチップ
２ 三角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレン
３ コンタクトパッド
４ ドライエッチング工法により三角形状にエッチングされたダイアフラム
５ 金属ＣＡＮケース
６ アンコーティング平凸シリコンレンズ
７ ヘッダー
８ リード
９ 実施例１を施した２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器
１０ 実施例１にて投影される検出域
１１ 従来の四角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを２つ配置のサーモパイルチップ
１２ 四角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレン
１３ ドライエッチング工法により四角形状にエッチングされたダイアフラム
１４ 従来の２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器
１５ 従来のサーモパイル型赤外線検出器にて投影される検出域
２ 三角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレン
３ コンタクトパッド
４ ドライエッチング工法により三角形状にエッチングされたダイアフラム
５ 金属ＣＡＮケース
６ アンコーティング平凸シリコンレンズ
７ ヘッダー
８ リード
９ 実施例１を施した２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器
１０ 実施例１にて投影される検出域
１１ 従来の四角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレンを２つ配置のサーモパイルチップ
１２ 四角形状の熱電対の温接点部位が配置されるメンブレン
１３ ドライエッチング工法により四角形状にエッチングされたダイアフラム
１４ 従来の２エリア検出のサーモパイル型赤外線検出器
１５ 従来のサーモパイル型赤外線検出器にて投影される検出域
Claims (1)
- 異なる二種の電極材で構成された熱電対をメンブレン上に温接点、ヒートシンク上に冷接点となるように配置し、その熱電対を直列に接続し、その上に絶縁保護膜を設けたサーモパイルチップに於いて、ドライエッチング工法によりダイアフラム加工を行う際、正方形又は長方形の四角形状、あるいは丸形形状以外の多角形形状にてメンブレンを形成する事を特徴とするサーモパイルチップ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008272953A JP2010101730A (ja) | 2008-10-23 | 2008-10-23 | サーモパイルチップ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008272953A JP2010101730A (ja) | 2008-10-23 | 2008-10-23 | サーモパイルチップ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010101730A true JP2010101730A (ja) | 2010-05-06 |
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ID=42292501
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008272953A Pending JP2010101730A (ja) | 2008-10-23 | 2008-10-23 | サーモパイルチップ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2010101730A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170200880A1 (en) * | 2015-04-24 | 2017-07-13 | Stmicroelectronics S.R.L. | Thermoelectric energy harvesting device and method of harvesting environmental energy |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7002A (en) * | 1850-01-08 | Obe-washek | ||
| JP2005308551A (ja) * | 2004-04-21 | 2005-11-04 | Horiba Ltd | サーモパイル型赤外線センサ |
-
2008
- 2008-10-23 JP JP2008272953A patent/JP2010101730A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7002A (en) * | 1850-01-08 | Obe-washek | ||
| JP2005308551A (ja) * | 2004-04-21 | 2005-11-04 | Horiba Ltd | サーモパイル型赤外線センサ |
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| US20170200880A1 (en) * | 2015-04-24 | 2017-07-13 | Stmicroelectronics S.R.L. | Thermoelectric energy harvesting device and method of harvesting environmental energy |
| US10720561B2 (en) * | 2015-04-24 | 2020-07-21 | Stmicroelectronics S.R.L. | Thermoelectric energy harvesting device and method of harvesting environmental energy |
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